淺談煤礦建井施工錨桿支護

一、錨桿支護作用原理
　　
　　錨桿是一種安設(shè)在巷道圍巖體內(nèi)的桿狀錨栓體系。采用錨桿支護的巷道,就是在巷道掘進后向圍巖中鉆錨桿眼,然后將錨桿安設(shè)在錨桿孔內(nèi),對巷道圍巖進行加固,以維護巷道的穩(wěn)定性。
　　(一)懸吊作用
　　懸吊作用是指將要冒落的圍巖或者軟弱巖層,用錨桿懸吊于上部的堅硬巖體上,由錨桿來承載圍巖或者弱巖的重量。
　　(二)組合梁作用
　　可將平頂巷道層狀頂板看作是由巷道兩幫為支點的疊合梁,在荷載作用下,各層板梁都單獨彎曲,每層板梁的上下緣分別處于受壓和受拉狀態(tài)。但是用錨桿將各組合板梁壓緊之后,在荷載作用下,就如同一塊板梁的彎曲一樣,提高了板梁的抗彎強度,可以提高頂板巖層的承載能力。
　　(三)擠壓加固拱作用
　　在巷道周圍系統(tǒng)地布置錨桿,使巷道拱部節(jié)理發(fā)育的巖體連接在一起,便在一定的范圍內(nèi)形成一個連續(xù)的、具有一定自承能力的拱形壓縮帶,使巷道圍巖由原來作用在支架上的荷載變成了承載結(jié)構(gòu),以支承其自身的重量和頂板壓力。
　　(四)減跨作用
　　在巷道內(nèi)安設(shè)錨桿,能夠減少壓力拱的高度和跨度。如在巷道跨中打一根錨桿,相當(dāng)于在該處打一根支柱,使原來的拱分為兩個小拱,小拱的跨度為原拱的一半。如果打三根錨桿,就相當(dāng)于將原來的拱分成四個小拱,壓力拱的跨度為原拱的四分之一,同時壓力拱的高度也明顯降低。
　　(五)圍巖補強加固作用
　　巷道深處圍巖內(nèi)的巖石處于三向受力狀態(tài),而靠近巷道周邊的巖石則處于二向受力狀態(tài),后者的強度遠遠小于前者,因此容易受破壞而喪失穩(wěn)定性。在巷道內(nèi)安設(shè)錨桿后,有些圍巖又部分地恢復(fù)為三向受力狀態(tài),增強了自身的強度。此外,錨桿還可以增強巖層弱面的抗剪強度,使巷道周邊的圍巖不易破壞和失穩(wěn)。
　　
　　二、錨桿支護參數(shù)的確定
　　
　　支護參數(shù)設(shè)計是巷道支護設(shè)計實現(xiàn)定量決策的關(guān)鍵所在。當(dāng)支護型式確定以后,參數(shù)設(shè)計正確與否,直接影響到支護效果和經(jīng)濟效益。當(dāng)支護參數(shù)所提供的支護強度不夠,即使支護型式是合理的,也可能控制不住巷道圍巖的嚴重變形和破壞,最終導(dǎo)致巷道不得不翻修,影響正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益;當(dāng)支護參數(shù)設(shè)計得過于保守,雖然能保證巷道在服務(wù)期間的穩(wěn)定狀況,但支護成本必然偏高。因此,科學(xué)地尋找支護參數(shù)設(shè)計在安全和經(jīng)濟這兩方面之間的最佳點,對安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益的意義是顯而易見的。
　　按照不同的地質(zhì)條件與巷道條件,錨桿支護可根據(jù)其作用機制選擇相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計方法。目前,用于煤礦巷道支護設(shè)計的主要的錨桿支護參數(shù)設(shè)計方法有下列幾種:
　　1.懸吊機制及其圍巖條件:在層狀巖體中,錨桿將下部不穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上,錨桿承受的載荷為下部不穩(wěn)定巖層的重量。最典型的情況是頂板上部1～1.8m處有一厚層(2m以下)堅固巖層,下部為較完整的層狀較弱巖層。若沒有上述堅固巖層,也可用免壓拱高或破碎帶高度以外的非破碎穩(wěn)定帶概念代替。
　　2.組合梁機制及其圍巖條件:在沒有堅硬厚層的薄狀巖層中,通過錨桿的預(yù)拉應(yīng)力,將視為疊合梁的各薄層擠緊,提高其自撐能力。桿體承受巖層錯動趨勢所產(chǎn)生的剪應(yīng)力。組合梁與疊合梁相比,應(yīng)力減小(n-1)倍,撓度減小(n2-1)倍。
　　3.三鉸拱(楔固、緊固)機制及其圍巖條件:在被裂隙切割的塊狀圍巖中,錨桿將危石懸吊,彼此擠緊,形成類似三鉸拱的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),不但使巖塊不掉落,而且加固成能承受載荷的整體結(jié)構(gòu)。
　　4.組合拱(均勻壓縮拱)機制及其圍巖條件:采用點錨固形式的錨桿的預(yù)拉應(yīng)力可以形成以錨桿兩端為頂點的算盤珠式的壓縮區(qū)。若把錨桿以適當(dāng)?shù)拈g距沿拱形斷面系統(tǒng)安裝,則可在巷道周圍形成連續(xù)的均勻壓縮帶作為承載結(jié)構(gòu)并將應(yīng)力向兩幫深部圍巖傳遞,其承載能力決定于錨桿長度與間距、預(yù)拉應(yīng)力。
　　
　　三、錨桿支護設(shè)計方法
　　
　　(一)現(xiàn)有錨桿支護設(shè)計方法的評價
　　目前煤巷錨桿支護設(shè)計主要以工程類比法和理論分析法為主,不能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)實際需要,主要表現(xiàn)在如下兩個方面:
　　1.用于設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)是巷道周圍某幾個點(甚至僅一個點)的綜合地質(zhì)技術(shù)資料的平均值,設(shè)計出的錨桿參數(shù)為整條巷道服務(wù)。一方面導(dǎo)致巷道絕大部分區(qū)域設(shè)計的錨桿參數(shù)過高,不但浪費了大量材料,增加了支護成本,也降低了巷道的掘進速度;另一方面又使巷道的某些局部地質(zhì)技術(shù)條件變化區(qū)域設(shè)計的錨桿支護參數(shù)不足,引發(fā)局部冒頂事故。
　　2.依據(jù)的基礎(chǔ)性參數(shù)缺乏定量化評價指標(biāo),導(dǎo)致錨桿支護參數(shù)設(shè)計缺乏科學(xué)、合理和確定性。盡管近年來出現(xiàn)的錨桿支護動態(tài)設(shè)計法已在我國部分礦區(qū)得到實踐,但實際應(yīng)用效果并不理想。因此,需要使用更可靠的煤巷錨桿支護設(shè)計方法,保證設(shè)計的可靠性。
　　(二)全線信息跟蹤設(shè)計方法
　　該設(shè)計方案摒棄了其他設(shè)計方法的缺點,是一種全新的設(shè)計理念與現(xiàn)代信息技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物。設(shè)計步驟如下:
　　1.全面分析基礎(chǔ)地質(zhì)技術(shù)數(shù)據(jù),不是取各項參數(shù)的平均值,而是將其分成最佳條件和最差條件。
　　2.用工程類比法確定錨桿的初始參數(shù)。
　　3.不斷進行現(xiàn)場實測,獲得應(yīng)力、同巖、支護三者相互作用結(jié)果的綜合信息。
　　4.根據(jù)實測信息,進行支護效果評價。
　　5.依據(jù)支護效果評價,用計算機重新設(shè)計巷道待掘進部分的錨桿支護參數(shù),并及時調(diào)整已支護部分的設(shè) 參數(shù)。
　　與已有的設(shè)計方法相比,該設(shè)計方法優(yōu)點有:設(shè)計的針對性強,設(shè)計的可靠性高,可以預(yù)測巷道頂板圍巖的穩(wěn)定性,有利于科學(xué)化管理,工程質(zhì)量易于保證,簡化了設(shè)計基礎(chǔ)的采集工作。
　　
　　四、錨桿支護的施工與檢驗
　　
　　(一)錨桿的安裝
　　錨桿的安裝施工包括鉆錨桿眼和安裝錨桿兩道主要工序。在錨桿安裝施工之前,應(yīng)該根據(jù)錨桿布置方式設(shè)計要求,用巷道中腰線標(biāo)定出錨桿的眼位。打眼時,眼位、眼深、角度都必須符合要求。錨桿眼鉆好后,就可以進行錨桿的安裝工作。
　　(二)錨桿的檢驗
　　為了保證錨桿的安裝質(zhì)量,應(yīng)當(dāng)注意以下問題:
　　1.錨桿孔的深度要與錨桿的長度配合適當(dāng),錨桿孔過深或者過淺都會使安裝墊板和螺帽產(chǎn)生困難。金屬楔縫式錨桿孔的深度應(yīng)比錨桿短50～70mm,倒楔式錨桿孔的深度應(yīng)比錨桿短100～120mm。
　　2.錨桿孔的直徑與錨桿的直徑應(yīng)該配合適當(dāng)。
　　3.安裝托板時應(yīng)該盡量將巖面找平,使托板和巖面全部接觸,以求托板受力均勻,增強其承載能力。
　　4.螺帽要用扳手盡量擰緊,使桿體中產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力。
　　5.錨桿質(zhì)量檢查。錨桿質(zhì)量檢查,主要注意檢查錨桿孔直徑、眼深、間距、排距以及螺帽的擰緊程度和錨固力。
　　
　　結(jié)語
　　
　　煤井支護有架棚、料石砌碹、錨桿等一系列支護形式,架棚和料石砌碹等支護是被動支護,由于成本高、進度慢、消耗體力大、支護效果差等原因逐漸被淘汰 而錨桿支護在煤礦巷道支護中占主導(dǎo)地位,是唯一能實現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟的一種支護形式。在穩(wěn)定圍巖中,可節(jié)省工程成本10%~20%左右,在不穩(wěn)定圍巖(即軟巖)中可降低成本30%以上,施工速度得到很大的提高,從而取得了巨大的經(jīng)濟效益。